蘇歡歡,程 敢,馬俊偉,張建強(qiáng)

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041;2.國(guó)家鋁冶煉工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450041;3.河南理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 焦作 454003)

中國(guó)鋁土礦儲(chǔ)量豐富,但是硅高、鋁硅比低的特點(diǎn)使得氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量差[1],為了氧化鋁工業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展,對(duì)鋁土礦進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理的脫硅成為當(dāng)務(wù)之急[2-4]。目前廣泛采用浮選脫硅的方法脫除其中的硅酸鹽脈石礦物,其中,根據(jù)浮少抑多的原則,反浮選脫硅更具有發(fā)展前景[5-6]。

鋁土礦反浮選脫硅捕收劑可分為陰離子和陽離子捕收劑兩類。陰離子捕收劑如脂肪酸鹽進(jìn)行反浮選脫硅時(shí),一般還需要加入金屬離子活化劑,藥劑制度復(fù)雜,并且脫硅結(jié)果并不理想[7-8]。陽離子捕收劑較陰離子而言藥劑制度簡(jiǎn)單,藥劑種類少,無需再添加活化劑,藥劑消耗低,脫硅效果好。陽離子捕收劑一般為胺類捕收劑,胺類捕收劑是浮選氧化礦和硅酸鹽礦物的較好捕收劑。在鐵礦反浮選中烷基胺作捕收劑早已得到工業(yè)應(yīng)用[9],用烷基胺浮選石英等硅酸鹽礦物[10]和螢石鹽類礦物[11]的研究也已有較為詳細(xì)的報(bào)導(dǎo),而胺類捕收劑浮選層狀鋁硅酸鹽礦物如高嶺石、葉蠟石等的研究報(bào)導(dǎo)卻很少。我國(guó)鋁土礦中的主要含硅脈石礦物為高嶺石、葉蠟石等鋁硅酸鹽礦物[12],因此研究鋁硅礦物的浮選行為對(duì)用浮選一拜耳法生產(chǎn)氧化鋁具有重要的意義。本文主要研究了胺類反浮選脫硅捕收劑對(duì)鋁土礦、高嶺石和葉臘石的浮選行為規(guī)律及作用機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣及性質(zhì)

試驗(yàn)中采用的實(shí)際礦物為河南鋁土礦,用到的單礦物為葉臘石,來自河南郟縣,礦物樣品純度較高,基本上達(dá)到了純礦物研究的要求,礦樣的化學(xué)成份分析結(jié)果示于表1中,鋁土礦礦樣的物相組成如表2所示。

表1 鋁土礦礦物化學(xué)成分分析結(jié)果 %

由表1可知,河南礦的Al2O3含量為57.22%,鋁硅比為3.5。從表2中可以看出,河南鋁土礦的主體礦物是一水硬鋁石,含有葉臘石等鋁硅酸鹽礦物。研究鋁土礦浮選脫硅,主要是研究一水硬鋁石與葉蠟石、高嶺石等的浮選分離。

表2 鋁土礦礦物的物相組成分析結(jié)果 %

1.2 試劑與儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用捕收劑有十二胺、十二烷基三甲基氯化銨(1231)、N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺(NSC86167)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)、及實(shí)驗(yàn)室合成藥劑C401,利用鋁土礦和單礦物作為試驗(yàn)原料,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室浮選脫硅試驗(yàn)。試驗(yàn)用主要儀器見表3。

表3 試驗(yàn)用主要儀器

1.3 研究方法

(1)實(shí)際礦石浮選試驗(yàn)

實(shí)際礦石的小型浮選試驗(yàn)在1.5 L的浮選槽內(nèi)進(jìn)行,經(jīng)過浮選后,泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別過濾烘干稱重,送去化驗(yàn)分析鋁硅,計(jì)算產(chǎn)率。

(2)單礦物浮選試驗(yàn)

浮選試驗(yàn)在XFG型掛槽式浮選機(jī)上進(jìn)行,主軸轉(zhuǎn)速為 1650 r/min。試驗(yàn)時(shí),稱取3 g礦物放入40 mL浮選槽中,加入一定量(25～30 mL)蒸餾水,攪拌調(diào)漿1 min;再加入調(diào)整劑作用3 min,然后加入捕收劑,攪拌3 min,浮選5 min。浮選過程中收集泡沫產(chǎn)品,將泡沫產(chǎn)品和槽內(nèi)產(chǎn)品分別烘干稱重并計(jì)算回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁土礦浮選脫硅試驗(yàn)

2.1.1 磨礦細(xì)度條件試驗(yàn)

選擇500 g鋁土礦礦樣進(jìn)行磨礦,固定一定的pH值,控制試驗(yàn)礦漿溫度在30 ℃,以1231作為捕收劑,用量固定為250 g/t(對(duì)原礦),研究磨礦細(xì)度對(duì)鋁土礦浮選脫硅的影響,試驗(yàn)流程見圖1,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖1 浮選試驗(yàn)流程圖

浮選脫硅需要選擇合適的入選粒度,由表4可以看出,在所考察的磨礦細(xì)度條件下,磨礦細(xì)度-0.074 mm占比75%時(shí),鋁精礦的鋁硅比較高,硅品位較低,另外考慮到鋁土礦的磨礦性質(zhì),磨礦細(xì)度越小,磨礦能耗越大,因此針對(duì)浮選脫硅認(rèn)為最佳磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%。

表4 不同磨礦細(xì)度條件下的鋁土礦試樣浮選試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 捕收劑的篩選

固定磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%,控制試驗(yàn)礦漿溫度在30度,試驗(yàn)pH值為5.5,進(jìn)行分段浮選脫硅試驗(yàn),試驗(yàn)流程如圖2所示,最終確定了各陽離子捕收劑的最佳用量(對(duì)原礦),并篩選出浮選指標(biāo)優(yōu)良的捕收劑,進(jìn)行后續(xù)的條件試驗(yàn),各藥劑最佳用量下浮選試驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖2 分段浮選脫硅試驗(yàn)流程圖

分析表5可知,針對(duì)A/S較低的河南鋁土礦反浮選脫硅,十二胺與NSC86167的捕收能力較強(qiáng),選擇性較差。其中季銨鹽捕收劑1227與1231浮選脫硅的精礦產(chǎn)率較高,并且精礦鋁回收率達(dá)到75%以上,同時(shí)考慮精礦A/S增幅大小,浮選效果較好的是1227,1227含有一個(gè)苯環(huán),一個(gè)苯環(huán)相當(dāng)于2～3個(gè)碳原子,則1227相當(dāng)于烴鏈碳原子數(shù)十四～十五烷基的季銨鹽。選擇烴鏈碳原子數(shù)較少的1231作捕收劑,進(jìn)行后續(xù)的條件試驗(yàn)。

表5 不同捕收劑對(duì)河南鋁土礦浮選脫硅的試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 浮選礦漿pH條件試驗(yàn)

礦漿的pH值影響礦粒表面的電性,其次,礦漿的pH值影響捕收劑捕收性的強(qiáng)弱[13]。所以,對(duì)于某種礦物而言,在其它條件一定時(shí),都存在著一個(gè)比較適宜的pH值,只有在該pH值下進(jìn)行浮選,才能取得較好的選別指標(biāo)。

由表6可知,隨著試驗(yàn)pH值的增加,藥劑用量也在逐漸增大。當(dāng)pH值較低時(shí),藥劑用量最少,而pH越低,酸性越強(qiáng),腐蝕設(shè)備,所以pH值也不能選擇過低,也不能過高,否則會(huì)減弱捕收劑的捕收性,增大藥劑用量,另一方面影響礦粒表面的電性。綜合考慮精礦的鋁硅比與產(chǎn)率,選擇pH值為5.5時(shí)較為適宜;同時(shí)考慮理論上一水硬鋁石與鋁硅酸鹽礦物的零電點(diǎn)差異,一水硬鋁石和鋁硅酸鹽礦物表面所帶電荷電性相反時(shí),即鋁硅酸鹽礦物表面帶負(fù)電,易于同陽離子捕收劑作用而上浮,因此選擇合適的試驗(yàn)pH值為5.5。

表6 不同pH條件下的浮選脫硅試驗(yàn)結(jié)果

以C401作為捕收劑,河南鋁土礦作為試驗(yàn)原料,磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%條件下在進(jìn)行分段浮選試驗(yàn),試驗(yàn)流程見圖2,試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7可知,與1227、1231相比,C401的藥劑所需用量最少,同時(shí)觀察各精礦的產(chǎn)率與鋁硅比增加可知,C401的浮選效果較好。

表7 C401的浮選脫硅試驗(yàn)結(jié)果

2.2 單礦物試驗(yàn)

首先選擇十二胺、十二烷基三甲基氯化銨(1231)、十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)作為捕收劑,單礦物葉臘石作為試驗(yàn)原料,固定捕收劑濃度為3.5x10-4mol/L,研究pH值與捕收劑濃度對(duì)葉臘石浮選回收率的影響,結(jié)果如圖3所示。

圖3 pH和捕收劑濃度對(duì)葉臘石單礦物浮選回收率的影響

由圖3(a)浮選結(jié)果可知,葉臘石的浮選回收率隨pH值的升高而下降,以十二胺與季銨鹽作捕收劑時(shí),均能獲得較好的浮選結(jié)果。

胺類藥劑與硅質(zhì)礦物表面的相互作用,大多數(shù)情況下主要是由于陽離子與礦物表面的雙電層通過靜電作用而吸附在一起。層狀硅酸鹽礦物在酸性溶液中,由于端面與層面荷電相反,靜電作用相互吸引,兩面發(fā)生凝聚而可浮性好;而在堿性溶液中,層面和端面同時(shí)荷負(fù)電,因靜電作用而相互排斥,礦物充分分散,可浮性變差[14]。

然后利用合成的新型季銨鹽藥劑C401,通過葉臘石與高嶺石的單礦物浮選試驗(yàn),對(duì)新型季銨鹽陽離子捕收劑的浮選性能進(jìn)行研究,并與現(xiàn)有藥劑進(jìn)行對(duì)比,目的是為了考察合成的新型季銨鹽藥劑用于礦物浮選領(lǐng)域的可行性。在不調(diào)節(jié)pH值(pH=6),25 ℃條件下,進(jìn)行單礦物浮選試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示。

從圖3(b)可以看出,C401藥劑對(duì)于葉臘石的捕收能力比現(xiàn)有的一些捕收劑的浮選效果要強(qiáng)。各藥劑對(duì)葉臘石的捕收能力強(qiáng)弱順序?yàn)?C401>1227>1231>十二胺。

葉蠟石是三層型層狀硅酸鹽礦物,由硅氧四面體/氫氧化鋁八面體/硅氧四面體三層組成,單元層與層之間由較弱的范德華力連結(jié)在一起,礦物破碎磨細(xì)時(shí),沿層間斷裂,表面殘余鍵以范德華力為主,表面疏水性好,可浮性好[15]。

3 紅外光譜分析

葉臘石分別與1231、1227和C401作用前后的紅外光譜如圖4所示。

由圖4可以看出,鋁硅酸鹽礦物的明顯特征吸收峰主要是O-H鍵的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰,3673.757cm-1為葉臘石結(jié)構(gòu)單元層四面體片與八面體片結(jié)合面上O-H伸縮振動(dòng)吸收峰;在1114.98 cm-1、1006 cm-1為Si-O的伸縮振動(dòng)吸收峰,937.23 cm-1為Al-OH伸縮振動(dòng)吸收峰,789.60 cm-1、753.88 cm-1、796.85 cm-1為Si-O、Si-Si、Si-Al振動(dòng)吸收峰,536.05 cm-1、467.24 cm-1、430.05 cm-1為Si-O彎曲振動(dòng)吸收峰。各捕收劑與葉蠟石作用后的紅外譜圖中,礦物的特征吸收峰都基本上無變化,圖譜只在3000～2800 cm-1處出現(xiàn)了甲基和亞甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰,而其它峰沒有發(fā)生變化,說明季銨鹽在葉蠟石表面的吸附作用為物理吸附。

圖4 葉蠟石與季銨鹽作用前后的紅外光譜

4 結(jié)論與建議

(1)試驗(yàn)以河南鋁土礦為試驗(yàn)原料,利用現(xiàn)有的4種反浮選脫硅捕收劑及實(shí)驗(yàn)室合成藥劑C401對(duì)其進(jìn)行反浮選脫硅試驗(yàn),研究了不同的反浮選脫硅捕收劑對(duì)鋁土礦的浮選脫硅特點(diǎn)。季銨鹽類捕收劑1227與C401的浮選效果較好。而酰胺類捕收劑,N-[3-(二甲氨基)丙基]月桂酰胺的用量較少,捕收能力較強(qiáng)。因此,對(duì)下一步合成具有強(qiáng)捕收性與選擇性的捕收劑有一定的指導(dǎo)意義,例如可以在季銨鹽中引入酰胺基等。

(2)季銨鹽捕收劑對(duì)河南鋁土礦反浮選脫硅的適宜條件為:磨礦細(xì)度為-0.074 mm占比75%,試驗(yàn)pH值為5.5,在此條件下,當(dāng)C401藥劑用量為150 g/t時(shí),可以獲得產(chǎn)率為77.82%,鋁硅比為3.97,氧化鋁回收率為80.28%的精礦。

(3)各捕收劑對(duì)葉臘石的捕收能力強(qiáng)弱順序?yàn)?C401>1227>1231>十二胺,同時(shí)也可以看出,隨試驗(yàn)pH值的增加,葉臘石浮選回收率逐漸下降。季銨鹽在鋁硅酸鹽礦物葉臘石表面的吸附為物理吸附。

(4)根據(jù)浮選實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如果鋁土礦中的含硅礦物主要是葉臘石,選用C401有利于葉臘石的浮選,可用于含有葉臘石的鋁土礦的反浮選脫硅體系研究。季銨鹽在鋁硅酸鹽礦物葉臘石表面的吸附為物理吸附,即靜電吸附作用,而在有效浮選pH值區(qū)間內(nèi),鋁硅酸鹽礦物表面呈現(xiàn)負(fù)電,因此,應(yīng)用于鋁土礦反浮選,應(yīng)以陽離子的靜電作用能力和供電子活性強(qiáng)的季銨鹽為捕收劑的浮選效果最好,同時(shí)建議實(shí)際礦石的反浮選脫硅宜采用弱酸性條件下進(jìn)行。